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Projet :

Elaboration des Polymères aux propriétés piézoélectriques

Rédigé par: Gerly Steven MPEMBA KOINSIKILA Abdelhamid BENSALEM Etudiants en Master2 Ingénierie de la chimie et des matériaux

Année 2010-2011

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Sommaire Introduction…………………………………………………………………………………………….3

I PIEZOELECTRICITE……………………………………………………………………………..…4

1) Historique…………………………………………………………..……………………..……4

2) Définition………………………………………………….. …………………………………..4

3) Familles des matériaux présentant cette propriété….…………………………………….5

4) Les différents types de piézoélectricité…………….……….………………………………6

5) Effet ferroélectrique ……………………………………………….…………...………….. 10

6) Définition et détermination des coefficients piézoélectriques ……….……………….…11

7) Application des matériaux piézoélectriques ……………………………………….……..12

II POLYMERES PIEZOELECTRICITES…….. ……………………………………..……………13

1) Critères essentiels à la piézoélectricité……………..………………………..…………..13

2) Définitions……………………………………………………………………………………14

3) Le PVDF……………………………………………………………………………………..14

3.1) Définition du PVDF …………………………………………………………….….14

3.2) Pourquoi le PVDF est-il piézoélectrique ?……………………………………….14

3.3) Différentes phases du PVDF……………………………………...………………15

3.4) Propriétés du PVDF……………………………………………………..…………15

3.5) Pourquoi le choix du PVDF ?……………………………………………………..16

4) Mise en forme du PVDF………………………………………………………………….17

5) Choix du procédé d’élaboration…………………………………………………………...17

6) Conclusion…………………………………….……………………………………………18

Bibliographies ………………………………………………………………………………19

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INTRODUCTION

L'évolution des technologies modernes est entièrement attachée à l'évolution des nouveaux

matériaux fonctionnels.

En particulier, les progrès dans la formulation de nouveaux matériaux polymères avec des

propriétés sur mesure ont permis la fabrication des matériaux fonctionnels.

Ces matériaux fonctionnels ont des structures chimiques différentes et des propriétés

permettant la fabrication d’objets de taille réduite, légère et flexible.

Récemment, après les travaux de KAWAI en 1969, les polymères ont reçu plus d'attention

que les autres matériaux plus ‘conventionnels’ ferroélectriques ou piézoélectriques comme

les céramique. Cette attention sur les polymères résulte de leurs avantages fonctionnels, à

savoir par exemple leur faible coût leur déformations importantes sans fatigue des

structures, leur grande résistance mécanique, leur possibilité de transformation facile en

couches minces et souples, et plus important encore la conception d'architecture flexible via

une adaptation moléculaire.

Plusieurs polymères ont démontré des caractéristiques piézoélectriques tels que le poly

fluorure de vinylidène (PVDF), l’acide polylactide (PLA), les polyamides (PAs). Parmi ces

polymères, le poly fluorure de vinylidène (PVDF) et le polyamide 11 (PA11) ont reçus une

attention particulière due à leurs propriétés piézoélectriques d’un coté et leurs propriétés

mécaniques de l’autre coté.

Bien que de nombreux polymères ont été signalés pour avoir une réponse piézoélectrique, le poly vinylidène de fluorure(PVDF) a attiré le plus l'attention en raison de son ferroélectricité et une grande disponibilité commerciale. Dans ce projet nous nous intéresserons aux polymères piézoélectriques, dans un premier

temps, on présentera la piézoélectricité en générale et enfin dans un second temps on

étudiera les polymères piézoélectriques.

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I. PIEZOELECTRICITE

II. HISTORIQUE

Au milieu du XVIIIe siècle, Carl Von Linné (1707-1778) et Franz Aepinus (1724-1802) ont

étudié l'effet pyroélectrique, effet par lequel un changement de température entraîne une

variation de la polarisation électrique dans un cristal.

Le cristal utilisé était la tourmaline ; en chauffant ce cristal de tourmaline, une polarisation

apparaissait sur les deux faces du cristal.

En 1817, l'abbé René-Just Haüy (1743-1822) étudie en détail la pyroélectricité dans différents minéraux (le quartz, le spath d’Islande). Il décrit ce qu'il appelle alors « l'électricité de pression » sur le spath d’Islande : en comprimant un cristal entre les doigts, il est possible de faire apparaître de l'électricité sur les faces du cristal.

Antoine Becquerel (1788-1878) poursuit l'étude du phénomène et montrera à l'aide d'une balance de Coulomb que l'électricité ainsi produite était proportionnelle à la pression exercée.

La première démonstration de l'effet piézoélectrique direct est due à Pierre (1859-1906) et Jacques Curie (1856-1941) en 1880. On combinant leurs connaissances de la pyroélectricité et de la structure cristalline, les frères Curie prédirent et vérifièrent l'existence de la piézoélectricité sur des cristaux de quartz, de tourmaline, de topaze, de sucre et de sel de rochelle.

L'existence de l'effet inverse fut prédite l'année suivante par Gabriel Lippmann (1845-1921) et immédiatement vérifiée par les frères Curie.

C’est en 1881 qu’Herman Hankel (1839-1873) suggéra l'utilisation du terme piézoélectricité du grec piézein signifiant presser, appuyer.

La piézoélectricité resta une curiosité de laboratoire pendant une trentaine d'années ; elle donna surtout lieu à des travaux théoriques sur les structures cristallines présentant cette propriété. Ces travaux aboutirent en 1910 à la publication par Woldemar Voigt (1850-1919) du Lehrbuch der Kristallphysik qui donne les vingt classes cristallines piézoélectriques, et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques dans le formalisme de l'analyse tensorielle.

2) DEFINITION

La piézoélectricité est le phénomène de polarisation électrique induite par une déformation

mécanique ou réciproquement de déformation induite par l’application d’un champ

électrique dans certains matériaux.

La déformation du matériau provoque une séparation du centre de gravité des charges

positives de celui des charges négatives au niveau de la zone où la contrainte a été

appliquée ce qui amène à l’apparition d’un moment dipolaire. Cette polarisation est

proportionnelle à la déformation et change de signe avec elle : c’est l’effet piézoélectrique

direct et dans le cas contraire c’est l’effet piézoélectrique inverse.

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L’apparition de la piézoélectricité sur un matériau est schématisée sur la Figure-1.

Figure-1 : schéma de l’apparition de la piézoélectricité sur un matériau

3) FAMILLES DES MATERIAUX PRESENTANT CETTE PROPRIETE

Il existe trois grandes familles des matériaux qui présentent le caractère piézoélectrique : les

cristaux, les céramiques et les polymères. L’illustration de ces familles est donnée au

Tableau-1.

Tableau-1 : familles des matériaux piézoélectriques

Cristaux Céramiques Polymères

- quartz (SiO2)

- topaze (Al2SiO4 (F, OH)2)

- tourmaline

(Al6Y3Na [(Si6O12) (BO3)3(OH, F)4 avec Y= Mg, (Fe, Mn) ou (Li, Al)

- berlinite (AlPO4)

- Titanozirconate de plomb (Pb (Zr,Ti)O3) PZT

- titane de baryum (BaTiO3)

- Polyamide 11

(-NH-(CH2)10-COO-)-n

- poly fluorure de vinylidène (-CH2-CF2-)n

Ces familles de matériaux cités Tableau-1 font parties de la classe des matériaux

piézoélectriques et qui sont en même temps ferroélectriques, et que l’on trouve dans

l’organigramme des 32 classes cristallines donné Figure-2.

Parmi ces 32 classes cristallines, 11 classes ont un centre de symétrie et sont non polaires.

Les 21 autres classes sont non centrosymétries dont 20 présentent l’effet piézoélectrique.

La classe restante de symétrie cubique bien que non centrosymétrique présente des

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éléments de symétrie dont la combinaison exclut l’existence de caractéristiques polaires.

Pour les 20 qui sont piézoélectriques, 10 présentent un moment dipolaire permanent en

l’absence d’un champ électrique, ils sont dits aussi pyroélectriques car l’amplitude du

moment dipolaire est fonction de la température. Cependant, un nombre limité de matériaux

pyroélectriques présentent la propriété supplémentaire d’avoir une polarisation spontanée

dont la direction peut être inversée sous l’influence d’un champ électrique externe. Ce

dernier groupe est appelé ferroélectrique.

Figure-2 : schéma de l’organigramme des différentes classes cristallines des

matériaux

4) LES DIFFERENTS TYPES DE PIEZOELECTRICITE

Il est possible de mettre en évidence deux types de piézoélectricité : la piézoélectricité

naturelle présente de façon spontanée dans certains cristaux et la piézoélectricité artificielle

due à des traitements spécifiques.

La piézoélectricité naturelle

Les cristaux

De nombreux cristaux possèdent une piézoélectricité naturelle en raison de leur capacité à

se polariser spontanément.

Par exemple expliquant le cas de :

- Le Quartz (SiO2)

32 classes cristallines

11 centosymetriques 21 non centosymetriques

Non piézoélectriques 20 piézoélectriques 1 non piézoélectrique

10 pyroélectriques 10 non pyroélectriques

Ferroélectriques Non ferroélectriquesNon ferroélectriques

32 classes cristallines

11 centosymetriques 21 non centosymetriques

Non piézoélectriques 20 piézoélectriques 1 non piézoélectrique

10 pyroélectriques 10 non pyroélectriques

Ferroélectriques Non ferroélectriquesNon ferroélectriques

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Ce cristal présent abondamment dans le sol est le plus connu pour ses propriétés

piézoélectriques. Quand la maille cristalline ne subit pas de contrainte mécanique, le

barycentre des charges positives est confondu avec celui des charges négatives.

Cependant, si des forces de compression sont appliquées, la maille cristalline va se

déformer de sorte que le barycentre des charges négatives sera séparé de celui des charges

positives. Un dipôle électrique est créé, celui-ci va, par réaction, faire apparaître des charges

opposées sur les deux électrodes (effet piézoélectrique direct).

Fig.8 : Piézoélectricité d’une maille de quartz schématisée à l’équilibre (a) et sollicitée

par une contrainte mécanique (b)

Les polymères naturels Il a été mis en évidence que les polymères naturels tels que la cellulose ou le collagène possèdent des propriétés piézoélectriques. Ces propriétés, bien que très faibles en comparaisons à celles observées dans les céramiques ou les polymères polarisés, peuvent être améliorées. De plus l’utilisation de « bio-polymères » permet de contribuer au développement durable.

- Cellulose - Chitine - Amylose - Collagène

[6] Le collagène est la protéine la plus abondante du corps humain étant donné qu’elle est le

composant majeur de la peau et des autres tissus musculaires. En raison de sa structure en

hélice (« rod-type »), constituée d’une répétition de triplets (Glycine-X-Y)n où X et Y sont la

proline et l’hydroxyproline, le collagène peut exhiber des propriétés piézoélectriques.

- Kératine

- Fibrine

La piézoélectricité artificielle

Certains matériaux nécessitent l’application de traitements pour présenter des propriétés

piézoélectriques ou pour améliorer celles présentes naturellement.

Les plus connus parmi ces traitement est le traitement « poling ». De ce fait, des matériaux

potentiellement piézoélectriques vont pouvoir exhiber une certaine piézoélectricité. Ce

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procédé peut être réalisé uniquement à des températures inférieures à la température de

Curie, quand la structure cristalline a la possibilité de créer un dipôle électrique. Dans les

structures pérovskites, le dipôle est créé grâce au déplacement de l’ion central dans la

structure (dans la majorité des cas un ion métallique de large diamètre). Au dessus de la

température de Curie, l’ion central occupe le même pan par rapport aux autres ions, mais en

dessous de la température de Curie, il va se déplacer en dehors de ce plan. Les charges en

présence ne vont plus s’équilibrer d’où la création d’un dipôle électrique.

a) b)

a) Au dessus de la température de Curie b) En dessous de la

température de Curie

Fig.9 : Effets de la température de Curie sur une structure ferroélectrique

Concrètement, le procédé poling va permettre l’alignement de tous les moments dipolaires,

de ce fait ils s’orienteront tous dans la même direction. Ceci peut être accompli de plusieurs

façons : le traitement peut être électrique ou mécanique.

Lorsque le traitement est électrique (cas des céramiques et de certains polymères), le

matériau est placé dans un champ électrique constant qui va forcer les dipôles à s’aligner.

En pratique deux électrodes de signes opposés sont disposées sur deux faces opposées du

matériau à polariser, celui-ci est ensuite placé dans un bain d’huile durant l’application du

champ électrique. Lors du traitement, chaque dipôle va ressentir une gêne s’il n’est pas

orienté parallèlement aux « lignes » induites par le champ électrique. Tous les dipôles vont

donc chercher à s’aligner suivant la même direction. Lorsque le champ électrique est arête,

les dipôles conservent la même orientation, même un nombre dérisoire de dipôle présente

une orientation aléatoire.

Si le traitement est mécanique (cas des polymères sous forme de films), le film est disposé

sur un banc de tirage, souvent en sortie de filière après extrusion*, afin d’être soumis à des

contraintes de traction uniaxiales ou biaxiales. Ces contraintes permettent d’orienter les

chaînes polymères parallèlement les une aux autres, une structure ordonné caractéristique

de l’état cristallin pourra ainsi être observée. Ainsi en augmentant la place occupée par les

zones cristallines, les propriétés piézoélectriques du film polymère traité sont améliorées.

Les céramiques

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La famille des céramiques ayant une structure dite pérovskite ou tungstène-bronze exhibe

de la piézoélectricité.

- Le titanate de Barium (BaTiO3)

Ce fut la première céramique piézoélectrique découverte.

- Le titanate de plomb (PbTiO3) - La zircone de titanate de plomb (Pb[ZrxTi1−x]O3 0<x<1)

Plus connue sous le nom de PZT, c’est la céramique piézoélectrique la plus utilisée de nos jours

- Niobate de potassium (KNbO3) - Niobate de lithium(LiNbO3) - Tantalate de lithium(LiTaO3) - Tungstate de sodium(Na2WO3) - Ba2NaNb5O5 - Pb2KNb5O15

Les polymères synthétiques

La classe des polymères synthétiques tous les polymères préparés sous l’action de réaction

de réactions de synthèses, ces derniers nécessitent un traitement poling afin d’améliorer

leurs propriétés piézoélectriques.

- PVDF

Le plus connu des polymères de synthèse, dans le domaine de la piézoélectricité, est le PVDF (polyvinyldiène de fluore) ainsi que ses dérivés : trifluoroéthylène et tétrafluoroéthylène.

Fig.10 : Nanomètres et polymères du PVDF

[3] Le PVDF est constitué par la répétition de l'unité (--CH2CF2--) qui exhibe un moment

dipolaire : V = 7X10-30 Cm. Ce moment dipolaire peut être associé à la différence de

potentiel entre les atomes d'hydrogène chargé positivement et les atomes de fluor chargés

négativement. Etant donné que ces dipôles sont liés de façon rigide au "squelette" de la

chaîne polymère, leur orientation est fortement influencée par la conformation et

l'assemblage des molécules. Si les molécules adoptent une conformation entièrement trans

ainsi qu'un assemblage en parallèle, les dipôles sont alignés dans une seule direction

perpendiculaire à l'axe de la chaîne principale. Le cristal qui en résulte, dont la phase est

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appelé β, possède une importante polarisation spontanée Ps qui est responsable de la

piézoélectricité du PVDF.

- Les polyamides impairs

Les nylons de type impairs sont de bons matériaux piézoélectriques du fait de leur

polarisation spontanée qui a lieu dans chaque maille constituant la phase cristalline du

polymère. Leur formule générale est de la forme :

-[-OC-(CH2)n-CO -NH-(CH2)n’-NH-]-

(Où le nom du polyamide concerné est donné par : n + (n’+2))

- Les polyacides

Il a été récemment découvert [5], que certains polyacides tels que le PLLA (acide

polylactique configuration L) pouvaient présenter des propriétés piézoélectriques sans aucun

traitement poling. Ceci est du à leur structure basée sur une maille orthorhombique à base

centrée. De plus, le PLLA est considéré comme un bio polymère, ses applications

industrielles sont donc très encouragées.

Les composites

La plupart du temps, les composites piézoélectriques sont créés par addition de charge dans

un polymère à l'état fondu. Actuellement les nano charges sont préférées aux charges

classiques car elles permettent l'obtention de matériaux plus homogènes (meilleure

répartition). Ces charges sont se présentent généralement sous la forme de poudres

céramiques (exemple : PZT, BaTiO3), elles permettent d'augmenter de façon non-

négligeable les propriétés piézoélectriques présentes à l'état initial dans le polymère.

5) EFFET FERROELECTRIQUE

Un matériau ferroélectrique est un matériau possédant un moment dipolaire électrique

(polarisation permanente) même en l’absence d’un champ électrique extérieur.

En effet les dipôles électriques sont tous orientés dans la même direction dans les domaines

ferroélectriques, séparés entre eux par des parois appelés murs de domaines. En l’absence

d’un champ extérieur, la direction de polarisation de chaque domaine est orientée au hasard,

ce qui rend le matériau globalement non polaire. Néanmoins, lorsqu’un champ électrique est

appliqué, un processus de réorientation des directions de polarisation se déclenche.

Ainsi est observée une augmentation du nombre de domaines dont l’orientation est voisine

de celle du champ appliqué et/ou la disparition des domaines qui ont une direction de

polarisation contraire à celle du champ extérieur.

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En effet, sous l’effet d’un champ électrique externe E, ces matériaux se polarisent jusqu'à

une valeur de saturation appelée polarisation de saturation Psat, cette polarisation reste

invariante pour toute opération de symétrie du cristal.

A un champ électrique nul la polarisation existante est dite polarisation rémanente Pr. Le

champ nécessaire pour la réorientation des dipôles d’un cristal est dit champ coercitif. Le

schéma du processus de polarisation par le cycle d’hystérésis est donné.

Figure-3 : schéma du processus de polarisation par le cycle d’hystérésis

6) DEFINITION ET DETERMINATION DES COEFFICIENTS PIEZOELECTRIQUES

Le coefficient piézoélectrique relie la déformation à la réponse électrique et vice versa, il

dépend de la direction d’enregistrement.

Il existe 3 axes d’enregistrement des constantes piézoélectrique. Ces axes sont appelés axe

1, 2 et 3. Ils sont analogues aux axes x, y et z du système classique du repère orthonormé

dans les trois directions de l’espace.

La Figure-4 représente les trois différentes directions pour quantifier le coefficient

piézoélectrique.

L’axe polaire 3 est parallèle à la direction de polarisation, qui est établie lors de l’excitation

par un courant à haute tension. Le coefficient piézoélectrique est de là exprimé sous la forme

Wij où W est la constante choisie, i donne la direction de l’excitation appliquée (1 à 3) et j la

direction de la réponse mesurée (1 à 6).

P : Polarisation

Psat : Polarisation de saturation

Pr : Polarisation rémanente

E : Champ électrique

Ec : Champ coercitif

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Figure-4 : schéma des différentes directions du coefficient piézoélectrique

On distingue plusieurs coefficients qui traduisent le caractère piézoélectrique :

-dij : Traduisant la relation entre la contrainte mécanique et l’induction électrique à champ

constant ou nul (unités : C/N ou m/V),

-gij : Traduisant la relation entre le champ électrique et la contrainte mécanique à champ

constant ou nul (unités : Vm/N ou m²/C),

-kij : Traduisant la relation entre la perméabilité du matériau ε et la perméabilité du vide ε0

(unités : H/F)

Dans la pratique, les modes de couplage pour le coefficient dij les plus utilisés sont les

modes -31 et -33, tels donnés dans la Figure-5.

Dans le mode -31, la contrainte est appliquée dans la direction 1 et la réponse est produite

dans la direction 3 perpendiculaire à 1. Dans le mode -33, la contrainte est appliquée dans la

même direction que la réponse est produite. La piézoélectricité des films polymères est

mesurée en utilisant un piézomètre.

Figure-5 : schéma sur les modes -13 et -33

7) APPLICATION DES MATERIAUX PIEZOELECTRIQUES

Les champs d'application sont assez nombreux. Les exemples cités ci-après sont issus des références. Peuvent ainsi être listés :

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Sources de haute tension

Le caractère piézoélectrique est utilise pour la fabrication des allume-gaz et des briquets.

Le matériau utilisé est le quartz, par son effet piézoélectrique direct c'est-à-dire par

l’application d’une contrainte il donne une tension. Il génère une tension de l’ordre du kilovolt.

Capteurs

La particularité de l'effet piézoélectrique est la génération de fortes contraintes pour de petits déplacements. Il est donc un candidat idéal pour les applications basées sur la détection de pression :

Capteurs de pression, notamment pour l'automobile (pression des pneus) et l'aéronautique (pression dans les tuyères),

Capteurs sonores (microphones et en particulier microphones de contact), Microbalance piézoélectrique, Batterie électronique (musique), Détecteurs de mouvements du corps (jambes, respiration,...) dans les laboratoires

de sommeil.

Actionneurs Les déplacements très faibles produits par les cristaux piézoélectriques en font des micromanipulateurs idéaux mis à profit dans différentes applications :

Microscopie à balayage au niveau de la pointe métallique à balayage, Moteurs piézoélectriques au niveau de l’adaptateur de montage, Haut-parleurs, Optique adaptative en astronomie : des actionneurs piézoélectriques sont utilisés

pour déformer un miroir afin de corriger les effets de la turbulence atmosphérique. Fréquence d'horloge Une vibration piézoélectrique stable permet de réaliser des références de temps exploitables électroniquement :

Les horloges en quartz pour l’heure, Dans les émetteurs et récepteurs radios ou dans les ordinateurs, un quartz règle la

fréquence horloge avec un multiplicateur de fréquence pour atteindre les mégahertz ou les gigahertz.

II POLYMERES PIEZOELECTRICITES

1) Critères essentiels à la piézoélectricité

Il existe quatre critères, qui à eux seuls, garantissent l'obtention d'un effet piézoélectriques

dans les polymères :

- La présence de moments dipolaires permanents

- la capacité de pouvoir orienter ou aligner les moments dipolaires

- La capacité à conserver l'alignement des moments dipolaires après

alignement

- La capacité du polymère à être soumis à des forces mécaniques de

traction

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2) DEFINITION

Un polymère piézoélectrique est un polymère qui présente une polarisation électrique

induite par une déformation mécanique ou réciproquement de déformation induite par

l’application d’un champ électrique.

Les polymères qui présentent des propriétés piézoélectriques, les plus couramment utilisés sont des polymères de synthèse, notamment le polyvinylidine difluoride (PVDF) (-CH2-CF2-)n et ses dérivés.

Le PVDF présent une réponse très élève à la température ambiante mais lorsque la température monte elle diminue due à la mauvaise stabilité thermique de la polarisation de PVDF En revanche, PA11 a bien meilleure stabilité thermique à température accrue résultant de l'empilement compact des liaisons hydrogène structure de la feuille

3) LE PVDF

3.1) Définition du PVDF

Le poly fluorure de vinylidène (PVDF) est un fluoropolymère thermoplastique semi-cristallin

formé de monomère composé de fluorure de vinylidène de formule (-CH2-F2-). Le PVDF est

synthétisé à partir des résidus pétroliers. En 1969, KAWAI étudie en premier le

comportement piézoélectrique du PVDF.

3.2) Pourquoi le PVDF est-il piézoélectrique ?

La raison principale de l'apparition de la piézoélectricité est liée à la structure cristalline

présentée par le PVDF. Il y a deux règles qu’il remplit afin de présenter des propriétés

piézoélectriques comme le montre la Figures-6-7 :

-Une structure cristalline possédant une valeur de moment dipolaire non nul,

-Les dipôles appartenant à toute la cristallinité dans un échantillon doit avoir la même

orientation préférentielle pour donner la phase β qui est piézoélectrique.

Figures-6-7 : schéma de l’arrangement spatial du PVDF (A. polarisation du PVDF et B.

structure et organisation de la phase β du PVDF)

Hydrogène Carbone

FluoreA. B.

Hydrogène Carbone

Fluore

Hydrogène Carbone

FluoreA. B.

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3.3) Différentes phases du PVDF

Le PVDF présente une structure complexe avec 5 conformations (phases) possibles :

1. La conformation trans-gauche (TGTG) pour les phases α et δ, 2. la conformation trans-trans (TTT) pour la phase β, 3. la conformation gauche-trans (GTTT) pour la phase γ et la phase ε.

Les phases cristallines α, β, γ et δ ont une cristallinité d’environ 50-60% en fonction des

défauts de la chaîne de commande et de la taille des cristallites.

La phase α est la plus stable à la température ambiante, elle se forme au cours d’une

cristallisation lors du refroidissement simple.

La phase β est la plus importante pour le caractère piézoélectrique. Elle se forme par

transformation de la phase α par étirement à une température inferieur à 100° C puis

polarisation qui consiste à réarranger les moments dipolaires en utilisant un champ

électrostatique.

La phase γ est obtenue par simple refroidissement à des températures supérieur à 150° C.

3.4) Propriétés du PVDF

Le poly fluorure de vinylidène (PVDF) est un polymère qui présente des bonnes propriétés

mécaniques (résistant à la traction), une grande résistance chimique, une bonne stabilité

thermique et des bons coefficients pyroélectriques et piézoélectrique.

Sa température de transition vitreuse est de -30°C et sa température de fusion est de 170°C.

Ces propriétés donnent des bons avantages pour une application dans l’industrie en génie

des matériaux (exemple, pour la fabrication des capteurs).

Ces propriétés découlent de la structure cristalline du PVDF et des phases en présence.

Les principales propriétés du PVDF sont regroupées dans le Tableau-2.

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Tableau-2 : quelques importantes propriétés du PVDF

.Propretés physiques Résultats Normes

Densité 1.78g/cm3 IISO 1183

Fluidité 2g/10min ASTM D1238

Absorption maximum en eau

0.04% ISO 62

.Propriétés mécaniques

Dureté 78 ASTM D2240

Resistance à la traction 35-50 MPa ASTM D638

Allongement à la rupture 20-50% ASTM D638

Module d’élasticité 2.5 GPa ASTM D638

Module de Flexion 2.1GPa ASTM D790

.Propriétés Thermiques

Conductivité thermique 0.2W/mK ASTM C177

Point de fusion 170°C DSC; ASTM D 3418

Température de fléchissement

113°C ASTM D648

Température de transition vitreuse

-30°C DMTA

.Resistance au feu

Limitation de l’indice d’oxygène

44% ASTM D 2863

3.5) Pourquoi le choix du PVDF ?

Par ses coefficients piézoélectriques élevés vis-à-vis des autres polymères, par ses bonnes

propriétés mécaniques, thermique et sa résistance chimique, le PVDF est le polymère le

mieux adapté pour faire des films de polymères fonctionnalisés. Le Tableau-3 donne une

comparaison de propriétés du PVDF par rapport à l’acide polylactide (PLA) et au

titanozirconate de plomb (PZT).

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Il peut être la base d’une comparaison vis-à-vis des autres polymères.

Tableau-3 : comparaison de propriétés du PVDF par rapport au PLA et au PET

4) Mise en forme et analyse du PVDF

Il existe plusieurs procédés de mise en forme du PVDF parmi lesquelles on a :

-Extrusion (L’échantillon est chauffé entre 220 et 240°c)

.Soufflage de gaine épaisseur =50-100µm

. -Injection des grandes épaisseurs

T1 =220 °C, T2=235 °C, T3 =250 °C et T4 =260 °C

-Expansion moulage épaisseur =133µm

T=50-90°C

Compression épaisseur =150µm

T=220°C

5) Choix du procédé d’élaboration

La meilleure élaboration des polymères ayant des propriétés piézoélectriques est l’extrusion

par soufflage de gaine car pour avoir des bonnes propriétés piézoélectriques ils faux avoir :

• Présence de la phase semi-cristalline

• Moment dipolaire

• Arrangement spatial

Caractères PZT PVDF PLA

Densité (g/l) 7.5-7.8 1.78 1.25

d (pC/N) d33 = 270 d33 = -20 -32 d25 = 10

Résistance à la déformation (%)

- 20-50 3-6

Toxicité Toxique Non toxique Non toxique

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Et pour avoir toute ces conditions il faut une faible épaisseur et permettre une première

trempe.

L’extrusion par soufflage de gaine est le seul procédé permettant la trempe du polymère lors

de sa mise en forme.

Les autres procédés cités sont des procédés qui se font dans un moule donc il n’y a pas

possibilité de trempe

6) Conclusion

Le travail effectué lors de ce projet d’étude bibliographique a permis d’analyser les

différents matériaux présentant le phénomène de piézoélectricité, les types de

piézoélectricités existant, comment les déterminer et aussi de trouver les applications

de ces matériaux dans l’industrie.

L’idée ici est de trouver les polymères piézoélectriques et de d’expliquer a quoi est

due ce phénomène dans ces matériaux.

Suite à l’état de l’art effectué portant sur les matériaux piézoélectriques, le choix du

PVDF e a été fait pour expliquer cette propriété dans les polymères car c’est

ce polymère qui présentent des bonnes caractéristiques à température

ambiante.

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Bibliographies

Articles:

1- M.M.D. Ramos, H.M. Correia, S. Lanceros-Mendez. Atomistic modelling of processes

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2- Z.-Y. Wang, H.-Q. Fan, K.-H. Su, Z.-Y. Wen. Structure and piezoelectric properties of poly (vinylidene fluoride) studied by density functional theory. Polymer 47 (2006) 7988-7996. 3- Y. Li, H. Shimizu, T. Furumichi, Y. Takahashi, T. Furukawa. Cristal forms and ferroelectric

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Sites web:

1- site wikipedia.org, mot clef ‘piézoélectricité’

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2- About piezo technology

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4- site PI France S.A.S filiale Physik Instruments (PI), http://www.pi-france.fr/

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5- site wikipedia.org, mot clef ‘Polyfluorure de vinylidène’

http://fr.wikipedia.org/wiki/Polyfluorure_de_vinylid%C3%A8ne (Août 2010)

Site wikipedia.org, mot clef ‘Polyvinylidene fluoride’

http://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinylidene_fluoride (Août 2010)

6- site wikipedia.org, mot clef ‘Titanozirconate de plomb’

http://fr.wikipedia.org/wiki/PZT (Août 2010)

Cours :

1- Matériaux pour applications piézoélectriques (cours Institut des Sciences et Techniques

de Valenciennes – ISTV – Mr. C. COURTOIS, 2009-2010)

Thèses :

1- A. Benayad, Matériaux monocristallins à forte activité piézoélectrique : élaboration,

caractérisation et application. Thèse de l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon,

2005.

2- Cyril Millon, Contribution à l'étude de procédés de réalisation de structures

métal/PZT/métal sur silicium pour microsystèmes piézoélectriques. Thèse de Doctorat en

Dispositifs de l'Electronique Intégrée, Lyon, Ecole doctorale EEA de Lyon, 2003.

3- T. Delage, Optimisation du dépôt de films minces de BSTO et de tri couches

YBCO/BSTO/YBCO; phénomènes de croissances et d'interfaces, application à la réalisation

de composants hyperfréquences accordables, Thèse de Doctorat en Sciences des Procédés

Céramiques et Traitements de Surfaces, Limoges, Faculté des Sciences de Limoges, 2003.